記憶體管理

3.1無儲存器抽象

最開始並沒有對儲存器進行抽象，直接簡單粗暴的使用實體記憶體地址，直接從0到某個上限值。每個地址可容納一定的二進位制位儲存單元， 通常為8位。這個時期的組織記憶體的三種方式如下：

3.2 第一種儲存器抽象：地址空間

地址空間的概念：是一個程序可以用於定址的一套記憶體集合。通俗點講，就是每個程序內部有自己的虛擬地址空間0-1023，然後這套虛擬記憶體空間再對映到真實物理空間（比如2048 - 3071）。

為了把內部虛擬地址空間轉換為真實實體地址，就需要動態重定位， 典型的辦法就是給CPU配置兩個特殊暫存器，即基址暫存器和界限暫存器。 程序載入到記憶體後，基址暫存器用來記錄程序實體記憶體的開始位置， 界限暫存器用來儲存程式的長度（也可理解為記錄程序實體記憶體的結束位置）。

虛擬記憶體與交換技術：由於記憶體空間是有限的，假設記憶體是100M，執行一個程式記憶體是 30M，但是實際上我們可以同時開啟4個，5個甚至更多程式，這就涉及到虛擬記憶體和交換技術了。虛擬記憶體就是假設我們的實體記憶體只有100M，但是實際的記憶體地址排到了200M，其中一段就是虛擬的。因為CPU任一時刻其實只能執行一個程式的， 利用這一點，當我們開啟5個30M的程序，但是實際正在前臺執行的只有其中一兩個，那麼暫未執行的就存回到硬碟，需要排程的時候再載入進記憶體。這就是在記憶體與硬碟間相互交換。 如下是程序載入到記憶體的示例圖:

記憶體緊縮：如上圖， 執行時間長了，程序間的記憶體就可能有小塊未使用的空閒區，把小塊合成一大塊連續記憶體，就叫記憶體緊縮。但是會耗費大量CPU時間。

空閒記憶體管理

1.使用點陣圖的儲存管理

使用點陣圖時，記憶體被劃分為幾個或幾千個位元組的單元，即點陣圖中的一位，0表示空閒，1表示佔用。如下：

其中陰影區表示空閒記憶體，圖b 是一張點陣圖。圖a 一共有A/B/C/D/E 五個程序在執行。每個單元的大小很重要，單元越小，則點陣圖越大， 單元越大，則點陣圖越小。

2.使用連結串列的儲存管理

上圖c 則是用連結串列對記憶體進行管理，記憶體被劃為很多記憶體段（每一段不不一定相等），連線起來就是一張連結串列，一共都四個域：1.指示標誌（P表示空閒，H表示程序佔用）， 2、起始地址； 3.長度；4、指向下一個節點的指標。如下圖：

剛開始時 A,X,B三個程序在執行，記憶體被劃為為三段，如果X終止了，則記憶體還是三段，只是X原本佔用的這一段就變為了空閒區（如圖a）。如果程序X,B都終止了，則記憶體變為了兩段（如圖b），如果A,X,B全部終止，則程序就變為了一段，如圖d.相對應的，在連結串列中的三個記憶體節點就變成了一個新的節點，老的三個節點被刪除掉。

3.3 虛擬記憶體

為了解決程式大於記憶體本身的問題，提出了這麼一種解決辦法：把程式分割成很多片段，然後程式執行時，先執行第一塊，然後執行第二塊，這樣，執行時，就只需要把程式的部分載入到記憶體即可，這個由作業系統動態的在記憶體和磁碟上換入換出，這個方法就就演變出了虛擬記憶體。

虛擬記憶體：每個程式有自己的地址空間，把這個空間分割為多塊，每一塊稱為一頁或頁面（page）,每一頁都有連續的地址範圍，執行時這些頁對映到實體記憶體。當程式執行哪一頁時，硬體就去執行，從而不必把所有頁都載入到記憶體。

程式自己的地址稱為虛擬地址，它們構成了虛擬地址空間，虛擬地址通過記憶體管理單元（Memory Management Unit， MMU） 對映到實體記憶體地址上，從而被執行。示例圖如下：

虛擬地址按照固定大小劃分為若干個頁面， 在實體記憶體中對應的單元稱為頁框（page frame），它們大小通常是一樣的。可以理解為每個頁框可以容納一個頁面。 如上圖3-9， 虛擬頁面16個，但是實際實體地址只有8個頁框，如果程式要訪問一個沒有對映到物理頁框的頁面，就會產生缺頁中斷或稱為缺頁錯誤，作業系統就會把選擇其中一個使用較少的頁框，那上面的內容清除，用來載入需要訪問的頁面。

在實際硬體中，用一個“在/不在” 位（present/absent bit）來記錄頁面在記憶體中的情況，如0表示不再位， 1表示在位。

看示例圖：

在有16個虛擬頁面的情況下， 頁表由16個虛擬頁面組成，假如現在要把一個頁面載入進實體記憶體， 高四位代表在頁表的位置， 0010換成10進位制就是2， 編號2的這個頁面時在位的，並且高三位的實體地址就是110，再加上低12位，就組成了一個真實的實體地址 輸出。 這就完成了16位虛擬地址到15位實體地址的轉換。

頁面的構成：頁框號、在不/在 位， 保護位，修改位，訪問位，快取記憶體禁止位。

• 保護位：指一個頁允許什麼型別的訪問， 讀、寫、可讀寫。
• 修改位：是否有修改過，修改過，則則需要先寫入磁碟儲存才能丟棄，如果沒修改過，更換其他頁面時，就可以直接丟棄了。
• 訪問位：是否正在訪問、包裹讀、寫
• 快取記憶體禁止位：禁止告訴快取。

針對大記憶體的頁表， 有多級頁表、倒排頁表等，方便快速查詢定址。

3.4 頁面置換演算法

• 最優頁面置換演算法
• 最近未使用頁面演算法
• 先進先出頁面置換演算法
• 第二次機會頁面置換演算法
• 時鐘頁面置換演算法
• 最近最少使用頁面置換演算法
• 工作集頁面置換演算法
• 工作集時鐘頁面置換演算法

針對他們的總結如下：

所以一般採用工作集時鐘頁面置換演算法